ミオキナーゼ

ミオキナーゼ（EC 2.7.4.3、アデニル酸キナーゼ／Adenylate kinase：ADK とも呼称）は、アデニンヌクレオチド間の相互変換を触媒するホスホトランスフェラーゼ酵素である。ADK は細胞内のリン酸ヌクレオチド量を恒常的に監視し得ることから、細胞のエネルギー恒常性維持において重要である。平衡定数は条件により変動するが 1 に近く、したがって本反応の標準自由エネルギー変化 ΔG^o はほぼ 0 である。脊椎動物および無脊椎動物の各種の筋において、ATP（アデノシン三リン酸）濃度は通常 ADP（アデノシン二リン酸）の 7～10 倍であり、AMP（アデノシン一リン酸）の概ね 100 倍である。ADP の利用可能性は酸化的リン酸化の速度を制御する。結果として、ミトコンドリアは ADK の作用と酸化的リン酸化の制御が相まって、高い ATP レベルを維持しようとする。

構造

柔軟性および可塑性により、タンパク質はリガンドと結合してオリゴマーを形成し、凝集し、機械的仕事を行うことができる。タンパク質の大規模なコンフォメーション変化は細胞内シグナル伝達に不可欠である。ADK はシグナル伝達タンパク質であるため、コンフォメーション間の平衡がタンパク質活性を制御し得る。ADK には局所的にアンフォールドした状態が含まれ、結合によりその存在比が低下する。

ADK には ADK-CORE、Open、Closed の 3 つの関連コンフォメーション（構造）が存在することが示されている。ADK には LID および NMP と呼ばれる 2 つの小ドメインがある。ATP は LID と CORE ドメインが形成するポケットに結合し、AMP は NMP と CORE ドメインが形成するポケットに結合する。タンパク質の局在領域はコンフォメーション遷移の過程でアンフォールドし得て、これにより歪みが低減され、触媒効率が向上する。局所的アンフォールディングは、タンパク質内で競合する歪みエネルギーに起因する。

図1. カートゥーン表示による ADK 酵素骨格

アイソザイム

現在までに、ヒト ADK タンパク質の 9 種のアイソフォームが同定されており、全身に遍在するものもあれば、特定組織に局在するものもある。各アイソフォームは細胞内局在が異なるだけでなく、基質の酵素への結合様式やリン酸基転移の反応速度論も異なる。ADK 酵素の細胞内局在は、タンパク質にターゲティング配列を組み込むことで実現される。各アイソフォームはヌクレオシド三リン酸（NTP）に対する選択性も異なる。ADK は複数の細菌種および酵母にも見出されている。いくつかの残基はこれらアイソフォーム間で保存されており、触媒に必須であることを示唆する。最も保存性の高い領域の一つは Arg 残基であり、その修飾は、酵素の触媒クレフトに位置して塩橋形成に関与する Asp 残基とともに、酵素を不活化し得る。

機構

リン酸基転移は「開いたリッド」が閉じる際にのみ起こり、これにより水分子が排除されて基質同士が近接し、ATP の γ-リン酸基による AMP の α-リン酸への求核攻撃に対するエネルギー障壁が低下する。阻害剤 Ap5A と複合体を形成した E. coli 由来 ADK 酵素の結晶構造では、Arg88 残基が Ap5A の α-リン酸基に結合する。R88G 変異は本酵素の触媒活性を 99% 低下させることが示されており、当該残基がリン酸基転移に密接に関与することを示している。別の高度に保存された残基として Arg119 がある。これは ADK のアデノシン結合領域に位置し、活性部位でアデニンを挟み込むように機能する。これら酵素が他の NTP を受容し得る（基質特異性が広い）理由は、ATP 結合ポケットにおける塩基部分の相互作用が比較的影響が小さいためである。正電荷を有する保存残基のネットワーク（E. coli 由来 ADK における Lys13、Arg123、Arg156、Arg167）は、転移過程でリン酸基上に負電荷が蓄積するのを安定化するために用いられる。遠位の 2 つのアスパラギン酸残基がアルギニンネットワークと結合することで、酵素は折りたたまれ、柔軟性が低下する。さらに、AMP 上のリン酸の求電子性を高めるためにマグネシウム補因子が必要であるが、この Mg イオンは活性ポケット内で静電相互作用のみにより保持されており、解離しやすい。

機能

a. 代謝モニタリング

細胞がエネルギーレベルを動的に測定できることにより、代謝プロセスのモニタリングが容易となる。ADK はアデニルリン酸のレベルを継続的に監視し、変化させることで、細胞レベルのエネルギー消費を調節し得る。代謝ストレスの違いによりエネルギーレベルが変動すると、ADK は下流のシグナル伝達カスケードにおけるシグナル分子として機能する AMP を生成し得る。アデニンヌクレオチドレベル、ひいては ADK 活性に影響し得る一般的因子として、運動、ストレス、ホルモンレベルの変化、食事が挙げられる。ADK は、代謝センサーの密接な「センシングゾーン」においてヌクレオチド交換を触媒することにより、細胞情報のデコードを促進する。

b. ADK シャトル

ADK は細胞内のミトコンドリア区画および筋原線維区画に存在し、ATP の 2 つの高エネルギーリン酸基（β および γ）がアデニンヌクレオチド分子間で移動可能となるようにする。本質的には、ADK は高エネルギー消費部位へ ATP を運搬し、反応過程で生成した AMP を除去する。最終的に、これら連続的なリン酸基転移リレーにより、ADK 分子の集合に沿ってリン酸基が伝播し得る。このプロセスは、代謝物濃度の見かけ上の全体的変化を伴うことなく細胞内局所の代謝フラックスを変化させる ADK 分子の「バケツリレー」とみなすことができ、細胞全体の恒常性にとって極めて重要である。

参考文献